يواجه مصممو أنظمة الأتمتة الصناعية عددًا متزايدًا من التحديات. يؤدي تركيب هذه المعدات على الرفوف إلى زيادة الحجم والقيود الحرارية. في البيئات الصناعية القاسية، تتطلب المعدات الإلكترونية الحساسة الفولتية المنظمة بشكل صارم، ويطالب العملاء بأداء ووظائف أعلى. في الجزء الأول من هذه السلسلة المكونة من -جزء، سوف نستكشف المتطلبات المتضاربة على إمدادات الطاقة الصناعية والمقايضات-المرتبطة بالحلول المشتركة.
مقدمة
يمثل تصميم نظام الأتمتة الصناعية تحديات فريدة من نوعها. في الواقع، إنها قصة مطالب متضاربة. أدى تقديم حوامل معيارية منخفضة التكلفة - لإيواء مكونات النظام مثل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) ووحدات الإدخال/الإخراج إلى فرض قيود شديدة على المساحة والحرارة على المهندسين والحلول. ومما يزيد من تعقيد هذه التحديات الحاجة إلى ضمان التشغيل الموثوق به للغاية في البيئات القاسية المعرضة للأوساخ والرطوبة والاهتزازات.
بالإضافة إلى ذلك، يتوقع العملاء وظائف محسنة في الأجيال اللاحقة من أنظمة التشغيل الآلي، كل ذلك دون زيادة استهلاك الطاقة أو حجم الجهاز أو توليد الحرارة أو التكلفة. غالبًا ما تعتمد هذه الوظائف المحسنة على التقدم في التكنولوجيا الإلكترونية، ولكنها غالبًا ما تأتي بتكلفة: تفاوتات أكثر صرامة في الطاقة وزيادة في مستويات الجهد التي يجب أن تظل مستقرة على الرغم من مصادر الطاقة غير الكاملة.
ومع ذلك، لا يرغب المهندسون في قضاء وقت ثمين في المشروع في تصميم مصدر طاقة لا يلاحظه العملاء وغالبًا ما يعتبر مضيعة للمساحة القيمة. وبدلاً من ذلك، يفضل المهندسون التركيز على الميزات التي تميز أنظمة التشغيل الآلي الخاصة بهم بوضوح عن المنافسين.
استجاب موردو أشباه الموصلات للمتطلبات المتضاربة لمصممي أنظمة الأتمتة الصناعية من خلال تقديم وحدات تدمج العديد من وظائف مصدر الطاقة الرئيسية في جهاز واحد. ومع ذلك، يجب حماية الوحدات المصممة ليتم تشغيلها بواسطة مصادر طاقة 12 أو 24 أو 48 فولت تيار مستمر المستخدمة في أنظمة الأتمتة الصناعية بواسطة مشابك الجهد أو استخدام تقنية التبديل غير المتزامنة لتحمل ارتفاعات الجهد التي تصيب مصدر الطاقة الرئيسي. وينتج عن كلا الحلين أنظمة طاقة أكبر وأكثر تكلفة وأقل كفاءة-وهو بالضبط ما يحاول مهندسو النظام تجنبه.
تعد مذكرة التطبيق هذه الجزء الأول من سلسلتنا المكونة من جزأين-حول منظمات التحكم الصناعية. نناقش هنا معماريات التحكم الصناعي وبنيات إمدادات الطاقة الفريدة الخاصة بها، والتي تمثل تحديات في التصميم. في الجزء الثاني من هذه السلسلة، سنناقش الجيل التالي من أجهزة الطاقة التي تستفيد من أحدث تقنيات تصنيع السيليكون جنبًا إلى جنب مع تصميمات الرقائق المبتكرة.
معماريات التحكم الصناعية
في حين أن 24VDC أصبح الجهد الفعلي لمعظم تطبيقات التحكم الصناعية (خاصة تلك التي تستخدم PLCs)، فإن 12VDC شائع أيضًا، عادةً كجهد احتياطي للبطارية أو يتم توفيره عن طريق مصادر الطاقة البديلة مثل الألواح الكهروضوئية (PV). كما شجع الإدخال الأخير للطاقة عبر الإيثرنت (PoE) مصنعي الأتمتة الصناعية على تصميم أجهزة مدعومة بمصدر طاقة 48VDC المحدد بواسطة هذا المعيار. يظهر الشكل 1 نظام تحكم صناعي نموذجي يستخدم مصدر طاقة 24VDC.
الشكل 1. نظام التحكم الصناعي النموذجي.
يشتمل النظام على وحدات الإدخال/الإخراج لتلقي المعلومات من أجهزة الاستشعار أو إرسال الأوامر إلى المشغلات، ومدخلات رقمية متعددة -قنوات، ومدخلات ومخرجات تناظرية متعددة -قنوات، ووظائف اتصال، ومعالج (CPU) مرتبط عبر ناقل رقمي. عادةً ما توفر الشركات المحدودة العامة القدرة الحاسوبية. يتم توفير الطاقة عن طريق مصدر الطاقة الرئيسي، ويتم تخفيضها إلى 24VDC، ويتم توزيعها عبر لوحة الكترونية معززة.
عند الفحص الدقيق لمصدر الطاقة الخاص بالنظام، يصبح من الواضح أن التعقيد يزداد بسبب اختلاف مستويات الجهد والتيار التي تتطلبها مكونات النظام المختلفة. يوضح الشكل 2 جزءًا صغيرًا من بنية مصدر الطاقة. يتم في البداية خفض مصدر الطاقة الرئيسي 120VAC/230VAC باستخدام وحدات الطاقة الصناعية إلى مصادر الطاقة القياسية لنظام 12VDC أو 24VDC. على مستوى النظام، يتم خفض جهد اللوحة الإلكترونية المعززة إلى مستويات الجهد الأقل التي تتطلبها المكونات الفردية.
الشكل 2. جزء من بنية مصدر الطاقة لنظام الأتمتة الصناعية
على سبيل المثال، يمكن أن يتكون PLC من معالج دقيق، ومعالج إشارة رقمية (DSP)، ومصفوفة بوابة قابلة للبرمجة (FPGA). تتطلب هذه الأجهزة نطاق جهد يتراوح من 5 فولت إلى 1 فولت. ومع ذلك، قد يتطلب PLC بأكمله ما يصل إلى 3.5 أمبير من التيار. وبالمثل، تتطلب وحدات الإدخال/الإخراج التناظرية متعددة القنوات مصادر طاقة ±15 فولت و5 فولت لمختلف مكبرات الصوت، والمحولات التناظرية -إلى-المحولات الرقمية (ADCs)، ومضاعفات الإرسال (MUXes) بتيارات تصل إلى 500 مللي أمبير.
ولتعقيد الأمور بشكل أكبر، يجب على المصممين مراعاة ارتفاعات الجهد العابرة ("الجهد الزائد")، والتي يمكن أن تؤثر على توصيل مصدر الطاقة من خلال أحداث مثل ضربات البرق على شبكة توزيع الطاقة أو من خلال التبديل السريع للأحمال الثقيلة التي تتقاسم نفس دائرة الطاقة مع أنظمة الأتمتة الصناعية. قد تحدث ارتفاعات في الجهد أيضًا داخل بنية مصدر الطاقة نفسها، على سبيل المثال عندما تقوم وحدات إمداد الطاقة بخفض جهد مصدر الطاقة إلى 12VDC أو 24VDC، خاصة عند استخدام أجهزة من نوع الوضع -التبديل.
تعتبر أحداث الجهد الزائد هذه شائعة جدًا لدرجة أن منظمات مثل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) توصي المهندسين بتصميم أنظمتهم لتحملها. على سبيل المثال، تتناول المواصفة القياسية IEC 60664 تنسيق العزل في أنظمة الجهد المنخفض -(1 كيلو فولت تيار متردد و1.5 كيلو فولت تيار مستمر)، موضحة أن معدات "الفئة الثانية" (بما في ذلك الأنواع المستخدمة في الأتمتة الصناعية) التي تعمل بجهد 24 فولت تيار مستمر مشتقة من التيار الكهربائي يجب أن تكون مصممة لتحمل الجهد الزائد حتى 60 فولت.
DC-أساسيات تنظيم جهد التيار المستمر
يعد تحويل جهد التيار المستمر (أو "التنظيم") من الأعمال التجارية الكبيرة، وقد استثمر موردو أشباه الموصلات بشكل كبير في تطوير مجموعة واسعة من المنتجات لجميع التطبيقات. يتم تقسيم الأجهزة إلى مجموعتين: منظمات التسرب المنخفضة (LDOs)-، والمعروفة أيضًا باسم المنظمات الخطية؛ وتبديل المنظمين.
عندما تتم مطابقتها بعناية مع خصائص تشغيل التطبيق، فإن منظمات التبديل عادةً ما توفر كفاءة أعلى عبر نطاق جهد دخل واسع مقارنةً بمنظمات LDO. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمنظمات التبديل بسهولة تعزيز ("الخطوة-لأعلى")، والارتفاع ("الخطوة-لأسفل")، وعكس الفولتية. (لاحظ أن أجزاء معينة من إمدادات الطاقة لنظام الأتمتة الصناعية تتطلب جهدًا معكوسًا. وفي المقابل، لا يمكن لـ LDOs إلا أن تتأرجح.)
بالمقارنة مع LDO البسيط والسهل الاستخدام-، فإن تبديل المنظمين له عيب واحد: وهو أن تصميمه أكثر تعقيدًا. وذلك لأن تصفية المخرجات مطلوبة لتخفيف تموج الجهد والتيار الناتج عن عمليات التبديل ذات التردد العالي-. يمكن أن يسبب هذا مشكلات للرقائق الحساسة ويولد تداخلًا كهرومغناطيسيًا (EMI). وعلى الرغم من ذلك، فإن المهندسين الذين يصممون العديد من التطبيقات المعاصرة يفضلون بشكل متزايد تبديل الهيئات التنظيمية.
المفتاح لكيفية عمل منظمات التبديل هو استخدام الترانزستورات ذات التأثير المعدني-أكسيد-مجال أشباه الموصلات-(MOSFETs) كأجهزة تبديل. عند تشغيل MOSFET، يتدفق التيار إلى كل من الحمل والمحث الخارجي الذي يخزن الطاقة. عند إيقاف تشغيل MOSFET، يوفر المحث الطاقة المخزنة للحمل.
عادةً ما يستخدم تعديل عرض النبض (PWM) للتحكم في جهد الخرج. يظل التردد ثابتًا، بينما يتم ضبط عرض النبضة ("وقت التشغيل-") لتوفير الجهد المطلوب. يعمل تبديل التردد العالي- للمنظم على تقليل الخسائر في النظام مع الحفاظ على خرج جهد ثابت نسبيًا عبر نطاق من ظروف الإدخال والتحميل.
في منظم تبديل الطوبولوجيا غير المتزامن (الشكل 3)، فإن الطاقة المخزنة في المحث ومن ثم نقلها إلى الحمل أثناء دورة إيقاف تشغيل MOSFET لا تتدفق مباشرة إلى الحمل. وبدلاً من ذلك، يتم نشره من خلال صمام ثنائي شوتكي خارجي. إذا تم اختيار المحث وفقًا للحمل المتوقع، فإن منظم التبديل سيعمل في وضع التوصيل المستمر، مما يوفر تنظيمًا مستقرًا.
الشكل 3. دائرة منظم الجهد غير المتزامن.
يتم تحديد الكفاءة النهائية لهذا النوع من منظمات التبديل في المقام الأول من خلال عاملين: انخفاض الجهد الأمامي لصمام ثنائي شوتكي الخارجي وخصائص تيار التسرب العكسي للجهاز. في الأجهزة الحديثة، يقترب انخفاض الجهد الأمامي من الحد الأقصى بحوالي 0.3 فولت. قد لا يبدو هذا كثيرًا، لكنه يؤدي إلى استهلاك مستمر للطاقة وانخفاض الكفاءة.
يؤدي استبدال صمامات شوتكي الثنائية بوحدات MOSFET إلى تحسين الكفاءة نظرًا لأنه يمكن تقليل مقاومة التشغيل (Ron) للترانزستورات باستخدام تقنيات التصنيع المتقدمة، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد (والخسائر) الأمامية مقارنة بالصمامات الثنائية الأصلية. يجب أن تعمل وحدتا MOSFET في هذه الدائرة بشكل متزامن، بحيث يكون أحدهما موصلًا والآخر مانعًا. (انظر الشكل 4.)
الشكل 4. دائرة منظم باك متزامن.
يمكن دمج MOSFET الثاني لما يسمى بالمنظم المتزامن-في الوحدة. بالإضافة إلى التخلص من الحاجة إلى صمام ثنائي شوتكي خارجي، يعمل هذا على تبسيط تصميم الدوائر وتقليل فاتورة المواد (BOM).
أحد الآثار الجانبية لتصميم المنظم المتزامن هو أن التيار يتدفق في اتجاهين في المحرِّض نتيجة لعملية التبديل بين MOSFETs (أي مضاعفة خسائر المحرِّض). وهذا يتناقض مع التدفق أحادي الاتجاه في الأنواع غير المتزامنة. في المنظمات المتزامنة، تكون الخسائر عادةً صغيرة، ولكن عند الأحمال المنخفضة، قد تكون كفاءة الجهاز أقل من كفاءة الأنواع غير المتزامنة المكافئة، مما يؤدي إلى خسائر أكبر.
لقد عالج كبار موردي أشباه الموصلات هذا العيب باستخدام تقنيات مختلفة. على سبيل المثال، قدمت شركة Maxim Integrated سلسلة من منظمات الجهد المتزامن- العالية، مثل MAX17503، التي تتميز بوظيفة MODE التي تسمح للجهاز بالعمل في ثلاثة أوضاع قابلة للتحديد: PWM، وتعديل تردد النبض (PFM)، ووضع التوصيل المتقطع (DCM). يستخدم PWM للتشغيل العادي. يعمل PFM على تحسين الكفاءة عند الأحمال المنخفضة عن طريق التخلص من تيار الحث العكسي وتخطي النبضات. يقوم DCM أيضًا بإزالة تيار الحث العكسي لتحسين الكفاءة عند الأحمال المنخفضة ولكنه لا يتخطى النبضات. وهذا يجعل DCM مناسبًا للتطبيقات الحساسة للتردد-.
ملخص
تلبي منظمات التيار المتزامن ذات الجهد العالي-والتيار العالي-الطلب على وحدات الطاقة المدمجة والفعالة وسهلة التصميم--في الأتمتة الصناعية. لقد ساهمت عدة عوامل في تحدي إمدادات الطاقة الصناعية، ولكن تتوفر الآن بنية تنظيمية متزامنة ذات جهد عالي-لتلبية جميع المتطلبات. على الرغم من أن الاختيار الحالي للمكونات المناسبة محدود، إلا أن النطاق يستمر في التوسع لتلبية جميع متطلبات تحويل جهد التيار المستمر -للأنظمة النموذجية، مع مخرجات طاقة تتراوح من مئات المللي أمبير إلى عدة أمبيرات. في الجزء الثاني، سنناقش كيف يمكن للابتكارات الجديدة في الهيئات التنظيمية المتزامنة أن تساعد في مواجهة تحديات استهلاك الطاقة